[논문]쌍끌이 기선저인망 어선의 어업용 어군탐지기 활용을 위한 기초연구

서영일; 박준성; 장충식; 강명희

doi:10.3796/ksft.2017.53.4.386

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For scientific research, a number of acoustic surveys using commercial echosounders equipped in fishing vessels were conducted throughout the world; however, few studies were performed in South Korea. Hence, this research is an preliminary study for presenting the application of a sounder from a fis...

For scientific research, a number of acoustic surveys using commercial echosounders equipped in fishing vessels were conducted throughout the world; however, few studies were performed in South Korea. Hence, this research is an preliminary study for presenting the application of a sounder from a fishing vessel. The fishing operations using a pair trawler (7 Cheonghae) was conducted in the Northwest-Western sea of Jeju Island from 20 to 23 April, 2016. Substantial impulse noises and attenuated signals were eliminated by the latest algorithms. Acoustic signals were grouped into the fish aggregations and long layer-like signals. The fish aggregations appeared between 30 and 60 m, and long layer-like signals showed the diurnal vertical migration. Energetic, morphological and positional properties of the fish aggregations and layer-like signals were described. The fish aggregations appeared mainly between sunrise and sunset; however layer-like signals tended to be presented regardless of time in consideration of the time series analysis. On the basis of the consignment sales, Scomberomorus niphonius, the target species of F/V 7 Cheonghae, was the highest catch with 4,280 kg (74.6%) and might have appeared in fish aggregations and layer forms.

주제어

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문제 정의

때문에, 어선에 설비된 어탐용 어탐을 이용한 과학 조사의 폭넓은 활용을 서론에서 언급하였다. 본 연구에서는 국내 최초로 쌍끌이 기선 저인망의 어업용 어탐에 휴대용 하드디스크를 부착하여 음향 데이터를 수록하여 일반적인 수산 생물의 특징을 도출하지는 못했으나 그 활용 사례를 보여주었다.
이 잡음들이 보다 쉽게 제거된다면 어업용 어탐을 이용한 과학연구가 보다 수월하게 수행될 것으로 생각된다. 본 연구에서는 쌍끌이 기선저인망 어선에 설비된 어업용 어탐으로 수집한 음향데이터를 활용한 기초 연구로, 우선 음향데이터에 내재된 잡음을 제거하는 방법과 조업해역에 서식하는 수산 생물의 군집 특성을 파악하는 것을 목적으로 하였다.
반면에 레이어의 NASC는 주간과 야간에 관계 없이 대부분의 시간대에 값을 보였다. 시계열의 일반적인 특징을 보기 위하여 24시간 연속적인 데이터가 필요하지만, 본 연구는 어업용 어탐 활용을 위한 예비 연구라는 점을 감안하여 활용 예시를 보여주는 단계라고 할 수 있다.

제안 방법

음향데이터는 두 주파수 (38과 120 kHz)로 수집되었지만, 어류 신호 특성이 38 kHz에 보다 잘 나타나 있으며, 120 kHz에는 데이터의 누락이 많고 전반적으로 잡음이 많이 존재하여 38 kHz의 음향데이터만을 이용하여 분석하였다. 38 kHz의 음향데이터에 임펄스 잡음 (Impulse noise)과 감쇠 신호 (Attenuated signal)로 인한 신호 손실이 관찰되었다.
(2015)의 연구를 토대로 한 것이다. 이 알고리즘도 제외선을 해수면 선과 해저선으로 설정하였다. 감쇠 신호는 핑 전체에 영향을 미치며 주변의 신호들보다 약하다는 특징을 이용하여 제거한다.
음향데이터에 내재된 임펄스 잡음과 감쇠신호는 잡음제거 알고리즘을 이용하여 수월하게 제거하였다. 조사 해역에서 수록한 음향신호는 군집과 레이어의 형태로 나눌 수 있어, 음향신호를 이 두가지 형태로 분류하여 분포 수심, 높이, 길이, 해저로 부터의 거리, 평균 음향산란강도 등의 특징을 도출하였다. 그리고 군집과 레이어 형태의 NASC 값을 시계열로 표시하였는데, 군집 신호들은 주로 일출과 일몰 시간 사이에 출현하였지만 레이어의 신호는 주·야간에 관계 없이 나타나는 경향을 보였다.

대상 데이터

임펄스 잡음 제거 알고리즘은 첫 번째로 데이터 처리 제외선을 설정하여 잡음 제거 알고리즘의 데이터 처리 과정에서 불필요한 부분을 제외시킨다. 본 연구에서는 해수면선과 해저선을 제외선으로 설정하였다. 다음으로 smoothing 과정을 수행한다.
쌍끌이 기선 저인망에 설비된 어업용 어탐기를 활용하여, 2016년 4월 20∼23일 제주도 북서부∼서부 해역에서 음향데이터를 수집하였다.
음향 데이터 수집에 사용된 어업용 어탐 (ES70, Simrad, Norway)은 쌍끌이 기선 저인망 선단의 망선 중에 하나인 7청해호 (청해 수산)에 설치되었으며, 어탐자료는 2016년 4월 20∼23일에 제주도 북서부∼서부 해역에서 수집하였다 (Fig. 1).
특히, 주간에 군집 형태를 보이는 신호는 삼치라고 생각한다. 음향데이터는 2016년 4월 20일~23일 4일 동안 수집했으나 어획결과 자료는 회사 기밀정보라서 받지 못하고, 단지 4월 23일 위판자료만을 받을 수 있었다. 이 또한 어렵게 구한 것으로, 음향데이터의 결과를 증거할 충분한 자료이지 않은 것은 사실이다.
따라서 수집된 음향 데이터에 최적화된 값을 찾는 것은 중요하다고 할 수 있다. 한편, 본 연구에 사용한 음향데이터는 펄스폭은 0.256 ms로 비교적 짧은 것을 사용하였다. 고주파수인 120 kHz의 에코그램에 전반적으로 많은 잡음이 보였는데, 짧은 펄스폭이 이 잡음의 주요 원인은 아니더라도 무정전 전원 장치가 설치되어 있지 않아 잡음에 취약한 것을 확인할 수 있었다.

데이터처리

수산 생물의 군집은 Echoview의 school detection 기능을 통하여 정의하였고, 레이어는 그 형태를 따라 수동으로 정의하였다. 정의한 군집과 레이어 신호의 특징은 comma-separated value 파일로 추출하여 IBM SPSS Statistics 23 (IBM corporation, USA)을 이용하여 상자그림으로 나타내었다.

이론/모형

임펄스 잡음 제거에 사용된 파라미터와 그 값들은 Table 1에 나타내었다. 감쇠 신호 제거 (Attenuated signal removal) 알고리즘은 Ryan et al. (2015)의 연구를 토대로 한 것이다. 이 알고리즘도 제외선을 해수면 선과 해저선으로 설정하였다.
거품으로 인해 송수파기가 발사한 핑이 제대로 나아가지 못하여 에코그램 상에서 하나 또는 여러 핑의 신호가 빠진 것처럼 보이며 주변 핑의 신호보다 현저히 낮은 값으로 나타낸다. 이 두가지 형태의 잡음은 Echoview ver 8.0 (Echoview, Australia)에 내재되어 있는 알고리즘을 이용하여 제거하였다.
Smoothing은 설정한 수직 샘플 범위의 값을 평균하고 그 값이 설정된 역치 값 (본 연구에서는 -110 dB)보다 크면 그것을 잡음 후보로 식별한다. 잡음 후보로 판단된 값은 Anderson et al. (2005)의 two-sided comparison method를 이용하여 잡음인지 아닌지 최종적으로 판별된다. Two-sided comparison method는 데이터 샘플 a, b, c가 있다고 할 때, 샘플 b를 정의하기 위하여 양 옆 데이터 샘플인 a와 c를 b와 비교하는 것으로, 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

성능/효과

256 ms로 비교적 짧은 것을 사용하였다. 고주파수인 120 kHz의 에코그램에 전반적으로 많은 잡음이 보였는데, 짧은 펄스폭이 이 잡음의 주요 원인은 아니더라도 무정전 전원 장치가 설치되어 있지 않아 잡음에 취약한 것을 확인할 수 있었다. 과학어탐 및 어업용 어탐으로부터 수록된 음향데이터에 잡음이 혼재되어 있을 경우, 적정한 역치값, 임펄스와 감쇠 신호 제거법을 이용한다면 정확도 높은 데이터 분석을 수행할 수 있을 것으로 생각한다.
그리고 군집과 레이어 형태의 NASC 값을 시계열로 표시하였는데, 군집 신호들은 주로 일출과 일몰 시간 사이에 출현하였지만 레이어의 신호는 주·야간에 관계 없이 나타나는 경향을 보였다.
데이터 누락이 특히 22일과 23일에 발생하여 군집과 레이어 신호의 NASC 값의 일반적인 시계열 특징을 얻기는 어려우나, 대략적인 경향을 보면 군집의 NASC는 일출과 일몰 사이인 주간에 그 값이 나타나는 것을 알 수 있다. 반면에 레이어의 NASC는 주간과 야간에 관계 없이 대부분의 시간대에 값을 보였다.
레이어 신호의 사분위수 범위 SV는 23일 (-65∼-55 dB)을 제외하고 대부분 -73∼-65 dB을 나타내고 23일이 평균 -61.0±5.4 dB로 가장 높았다.
이 또한 어렵게 구한 것으로, 음향데이터의 결과를 증거할 충분한 자료이지 않은 것은 사실이다. 이 연구는 어업용 어탐의 활용을 보여주는 예비조사의 단계이므로 음향 결과가 기선저인망에서 목표종으로 삼고 위판 결과에 가장 많은 어획율을 차지하는 삼치일 가능성이 높다는 점을 시사할 수 있었다.
잡음을 제거한 음향 데이터 전체를 총체적으로 살펴본 결과, 음향 신호를 수산 생물의 군집과 레이어 (layer) 형태로 분류할 수 있었다. 수산 생물의 군집은 Echoview의 school detection 기능을 통하여 정의하였고, 레이어는 그 형태를 따라 수동으로 정의하였다.

후속연구

고주파수인 120 kHz의 에코그램에 전반적으로 많은 잡음이 보였는데, 짧은 펄스폭이 이 잡음의 주요 원인은 아니더라도 무정전 전원 장치가 설치되어 있지 않아 잡음에 취약한 것을 확인할 수 있었다. 과학어탐 및 어업용 어탐으로부터 수록된 음향데이터에 잡음이 혼재되어 있을 경우, 적정한 역치값, 임펄스와 감쇠 신호 제거법을 이용한다면 정확도 높은 데이터 분석을 수행할 수 있을 것으로 생각한다. 후처리로 잡음을 제거하는 것 보다 데이터를 수록할 당시 잡음이 되는 원인을 제거하는 것이 제일로 중요하다.
위판결과와 청해호의 목표종이 삼치라는 사실을 토대로 군집과 레이어 신호는 삼치일 가능성이 높다고 판단한다. 본 연구는 어선에 설치된 어업용 어탐의 활용을 보여준 예비연구로, 앞으로 어업용 어탐의 많은 활용을 기대한다.
앞으로 오징어 종을 목표로 하는 트롤 어선의 어탐데이터를 수집할 계획이 있는데, 38과 120 kHz 두주파수로부터 데이터를 누락없이 수집하여 오징어종의 시계열 특징을 조사하고자 한다.
우리나라에서 데이터 수록이 가능한 어업용 어탐기는 약 10대가 있는 것으로 파악된다. 이 어업용 어탐기를 과학 조사용으로 활용한다면 보다 광범위한 해역에서 다양한 시간대에 수산 자원에 대한 자료를 수집할 수 있어, 조사선으로 수행하여 획득한 자료의 보조 수단으로 사용할 수 있을 것으로 기대한다.
, 2016). 이런 자료를 이용한다면 어업용 어탐의 활용에 신뢰성을 높여줄 것으로 생각한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	쌍끌이 기선저인망는 어떤 방식으로 조업을 하는가?	쌍끌이 기선저인망은 1개의 자루그물과 2개의 날개그물로 이루어진 기본 구조를 가지고 있으며, 트롤어구와 유사하지만 전개판이 없다. 또한 쌍끌이 기선저인망은 어군탐지기 (이하 어탐)를 이용하여 어군의 존재와 위치를 파악한 뒤에 투망하여 2척이 일정한 간격을 유지하면서 약 2∼3 knots로 2∼2.5시간 예망을 하고 양망 시에는 2척이 가까이 붙어 수행한다 (Kang, 1991b).
	쌍끌이 기선저인망는 어떤 구조를 가지고 있는가?	쌍끌이 기선저인망 어업은 기선저인망 어업 중에서 2척의 어선을 이용하는 조업방식을 말한다 (Kang, 1991a). 쌍끌이 기선저인망은 1개의 자루그물과 2개의 날개그물로 이루어진 기본 구조를 가지고 있으며, 트롤어구와 유사하지만 전개판이 없다. 또한 쌍끌이 기선저인망은 어군탐지기 (이하 어탐)를 이용하여 어군의 존재와 위치를 파악한 뒤에 투망하여 2척이 일정한 간격을 유지하면서 약 2∼3 knots로 2∼2.
	어업전용으로 제작한 어탐이 과학어탐과 다른 점은 무엇인가?	쌍끌이 기선저인망 어업에서 사용하는 어탐은 어업전용으로 제작된 것으로 과학 조사를 목적으로 사용하는 과학어탐과는 다르다. 일반적으로 어업용 어탐은 음향 데이터를 수록하는 기능이 없고 단지 조업 중에 실시간으로 음향 데이터를 가시화한 에코그램을 제공한다. 어탐의 송수파기는 사용하는 동안, 특히 오랜 기간동안 사용하거나 해양환경의 변화가 심한 해역에서 사용하면, 송수파기의 감도가 떨어지고 변화가 생긴다 (Simmonds and MacLennan, 2005).

참고문헌 (12)

Anderson CIH, Brierley AS and Armstrong F. 2005. Spatio-temporal variability in the distribution of epi- and meso-pelagic acoustic backscatter in the Irminger Sea, North Atlantic, with implication for predation on Calanus finmarchicus. Mar Biol 146(6), 1177-1188. (DOI:10.1007/s00227-004-1510-8)

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Barbeaux SJ, Horne JK, and Dorn MW. 2013. Characterizing walleye pollock (Theragra chalcogramma) winter distribution from opportunistic acoustic data. ICES J Mar Sci 70, 1162-1173. (DOI:10.1093/icesjms/fst052)

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Foote KG, Knudsen HP, Vestnes G, MacLennan DN and Simmonds EJ. 1987. Calibration of acoustic instruments for fish density estimation: a practical guide. ICES Cooperative Research Report 144.
Gastauer S, Scoulding B and Persons M. 2017. Estimates of variability of goldband snapper target strength and biomass in three fishing regions within the Northern Demersal Scalefish Fishery (Western Australia). Fish Res 193, 250-262. (DOI:10.1016/j.fishres.2017.05.001)

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ICES. 2007. Collection of acoustic data from fishing vessels. ICES cooperative research report 287, 1-90.
Kang BM. 1991a. A view on trawling fishing. J Kor Fishing Vessel Assoc 46, 19-25.
Kang BM. 1991b. A view on trawling fishing II. J Kor Fishing Vessel Assoc 47, 12-18.
O'Driscoll RL. 2013. Acoustic biomass estimates of southern blue whiting on the Bounty Platform in 2012. New Zealand Fisheries Assessment Report 4, 1-30.
Ryan TE and Kloser RJ. 2004. Quantification and correction of a systematic error in Simrad ES60 Echosounders. ICES FAST, Gdansk. Copy available from CSIRO Marine and Atmospheric Research.
Ryan TE, Downie RA, Kloser RJ and Keith G. 2015. Reducing bias due to noise and attenuation in open-ocean echo integration data. ICES J Mar Sci 72(8). 2482-2493. (DOI:10.1093/icesjms/fsv121)

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Simmonds EJ and MacLennan DN. 2005. Fisheries acoustics: Theory and Practice, 2nd edn. Blackwell, Oxford.
Watkins JL, Reid K, Ramm D, Zhao XY, Cox M, Skaret G and Fielding S. 2016. The use of fishing vessels to provide acoustic data on the distribution and abundance of Antarctic krill and other pelagic species. Fish Res 178, 93-100. (DOI:10.1016/j.fishres.2015.07.013)

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